船用螺旋桨负载动态仿真装置的研究

船用螺旋桨负载动态仿真装置的研究

推进电机侧值cm和负载电机旋转电流比系数nm，a；。Dp——桨的直径,m;i——推进电机到螺旋桨间的减速比;Ia——负载电机电枢回路的电流,A;J1——推进电机转动惯量,kg·m2;J2——螺旋桨及轴系的转动惯量折算到推进电机侧的值,kg·m2;JL——仿真系统中负载转动惯量,kg·m2,包含负载电机及惯性补偿飞轮的转动惯量;K——负载电机阻尼系数;Kp,KM——分别为桨推力系数和扭矩系数,均是进速比J的函数;M——负载电机电磁转矩,N·m;m——船体质量,kg;Md——推进电机输出转矩,N·m;ML——仿真系统中负载转矩,N·m;Mm——传感器测量转矩,N·m;MP——桨的扭矩,N·m;n——推进电机的转速,r/min;nP——桨的转速,s-1;P——桨的推力,N;Rf——船舶所受的阻力,N;T——系统采样时间;vs——船速,m/s;w——伴流系数;λ——附连水系数;η——推力减额系数;ρ——海水密度,kg/m3;ζ——总阻力系数。0数值仿真系统方案设计船舶运动离不开推进系统。为了使所设计的推进系统满足性能指标要求,对系统进行带桨工作考核实验是必不可少的。若能在实验室条件下,为推进电机提供逼真的轴负载,复现螺旋桨特性,用以全面分析、考核推进系统的静、动态特性,以至对推进系统运行作预测性的实验研究,将具有重要意义。船舶航行时,船速和桨速两者任何一个发生变化都会引起进速比J的变化,进速比的变化将进一步引起螺旋桨阻力矩和推力的变化。因此在研究装船后的螺旋桨负载特性时,必须将船和桨作为一个整体考虑,建立船桨运动模型。本文以某深潜救生艇的推进系统为仿真对象,设计了一套螺旋桨负载半物理仿真装置。该装置用直流电机仿真螺旋桨负载。推进电机带动直流电机旋转,在仿真过程中,通过控制使直流电机加到推进电机轴上的阻力矩与推进电机带动实际螺旋桨工作时的阻力矩一致。可见,如何控制直流电机轴上的阻力矩是仿真的关键所在,因此仿真系统采用了转矩随动系统作为系统主体。为了准确地获得转矩随动系统的输出转矩值,在直流电机轴上安装了转矩传感器作为测量元件。文章提出了一种仿真方案,给出了仿真装置结构图,建立了系统的仿真模型,设计了转矩随动系统,并利用设计的实验装置对实际推进系统的稳态和动态过程进行了仿真研究。1仿真系统设计螺旋桨负载仿真系统结构如图1所示。系统的主体是一个转矩随动系统。它由转矩给定、转矩转速传感器、转矩调节器、晶闸管装置和负载电机组成。因为直流电机具有响应快、过载转矩大、易于控制和可靠性高等特点,所以仿真系统采用了直流发电机作为负载电机。负载电机由可控晶闸管装置供电。考虑到螺旋桨是在四个象限内工作(±n,±MP),要求负载电机的电枢电流能够反向,因此在仿真装置中采用了两组晶闸管。两组晶闸管采用了反并联连接线路,实现α=β配合控制(α、β分别为正组、反组晶闸管整流控制角和逆变控制角)。转矩的测量采用转矩传感器,所测得转矩反馈到随动系统输入端与转矩给定值进行比较,以构成闭环转矩随动系统。用转矩传感器直接测量负载电机轴上转矩,比通过测电流来计算转矩具有更高的准确性。实验仿真系统的转矩给定值是通过求解船桨模型给出的。在仿真系统中,船桨模型是用软件模块来实现的。该模块的输入量是螺旋桨转速和船速,输出量是推进电机轴转矩。在运动初始状态给定的条件下,船速可以通过求解船桨模型获得,因此求解船桨模型的输入量只有螺旋桨的转速。装置中的负载电机选用Z2-71系列15kW直流发电机,传感器选用JN338系列D型套装式转矩转速传感器。2基于ml的动态仿真被仿真的船舶电力推进的轴系统可用图2(a)表示,主要由推进电机、减速器和螺旋桨组成。实验仿真系统采用了图2(b)的结构。图2中两系统的机械运动平衡方程为:实际推进系统:Md−(1iMP+J22π60dndt)=J12π60dndt(1)Μd-(1iΜΡ+J22π60dndt)=J12π60dndt(1)实验仿真系统:Md−(ML+JL2π60dndt)=J12π60dndt(2)Μd-(ΜL+JL2π60dndt)=J12π60dndt(2)可见,只要保证实际推进系统中螺旋桨及轴系的转动惯量折算到推进电机侧的值与仿真系统中负载转动惯量相等,即J2=JL,并且在动态变化过程中,实验仿真系统产生的负载阻力矩实时满足ML=Mp/i,即可实现动态仿真的目的。图1中转矩传感器的实时测量值为:Mm=ML+JL2π60dndt=M+Kn+JL2π60dndt(4)M=CmΦIa(5)Μm=ΜL+JL2π60dndt=Μ+Κn+JL2π60dndt(4)Μ=CmΦΙa(5)应注意的是,仿真系统中的转矩测量值Mm中包含了负载电机的惯性转矩JL2π60dndtJL2π60dndt,所以转矩随动系统的给定值Mg也应该包含相对应的惯性转矩J22π60dndtJ22π60dndt:Mg=1iMP+J22π60dndt(6)Μg=1iΜΡ+J22π60dndt(6)由式(4),(5)可知,通过调节负载电机电枢电流Ia可以实现对电磁转矩M的控制,进而控制直流电机轴上的阻力矩ML,保证在动态仿真过程中实现ML=Mp/i。3船速vsp根据系统特点,桨的转速可测,船速由船桨模型求得。建立船桨系统模型如下:λmv˙s=P(1−η)−Rf(7)P=Kpρn2pD4p(8)Rf=ζv2s(9)MP=KMρn2pD5p(10)Kp=Kp(J)KM=KM(J)(11)J=vs(1−w)npDp(12)λmv˙s=Ρ(1-η)-Rf(7)Ρ=Κpρnp2Dp4(8)Rf=ζvs2(9)ΜΡ=ΚΜρnp2Dp5(10)Κp=Κp(J)ΚΜ=ΚΜ(J)(11)J=vs(1-w)npDp(12)由式(7)得vs(k+1)=vs(k)+P(1−η)−RfλmT(13)vs(k+1)=vs(k)+Ρ(1-η)-RfλmΤ(13)将式(13)算得的船速vs与当前测得的转速代入式(12),得进速比J,再利用螺旋桨KM～J,KP～J特性曲线,得KM与KP的值,代入式(8)、(10),可得P与MP的值。4转速系统仿真方框图依据系统所选择的直流发电机和晶闸管装置,可求得以下参数:JL=1.98kg·m2,L=6.5mH,R=0.2Ω,CeΦ=0.1676,K=0.005,Ts=0.00167s,Ks=20。图3给出了系统仿真方框图。转速相对转矩环来说是一个缓慢变化的扰动。因此在进行转矩系统调节设计过程中,假定Δn=0。依据系统的开环传递函数,并考虑到I型系统在跟踪性能上能做到超调小,顺馈系统能在不改变系统特征方程的情况下提高系统的控制精度,因此随动系统按I型系统设计,并引入顺馈环节。所加环节的传递函数如下:GATR(s)=Kpiτs+1s=1.870.0233s+1s(14)GAFR(s)=λ1s+λ2=0.00016s+0.0062(15)GAΤR(s)=Κpiτs+1s=1.870.0233s+1s(14)GAFR(s)=λ1s+λ2=0.00016s+0.0062(15)5桨叶的暂态特性针对某深潜救生艇的推进系统(主推进系统为直流双闭环调速系统)进行仿真研究。图4、图5分别给出了船舶实施启车和停车操作后螺旋桨负载的动态响应曲线。图(a)是船速vs、桨速np的响应过程;图(b)是螺旋桨阻力矩ML的响应过程;图(c)是传感器测得的推进电机轴扭矩Mm的动态变化曲线;图(d)是螺旋桨阻力矩转速特性工作点的暂态变化曲线。船舶全速(4节)稳定航行时的进速比J=0.628。为了比较,图(d)同时给出了J=0.628稳态工况下的螺旋桨阻力矩转速特性。分析图(4)可知,在实施启车操作后5秒时,推进电机轴上的阻力矩Mm接近150Nm,推进电机出现严重轴转矩过载,说明在零航速状态下起车使船舶直接运行到额定航速的操作在实际船舶起车操作中是决不能接受的。由图(4-d)可见,桨速在未达到稳定转速的60%左右(A点)时,螺旋桨负载暂态工作点沿系缆特性(J=0)运行,桨速达到60%稳定转速以后,船速开始增加,进速比J逐渐增大,工作点偏离J=0的曲线,在B点出现转矩最大值,随后由于螺旋桨转速接近稳态值,随船速继续增大,进速比增大,桨的阻力矩减小,最后稳定在C点运行。分析图(5)可知,在桨速降到0.18r/s时,螺旋桨出现了负的最大制动阻力矩。当实施停车操作时的工作点E越接近于D,则该制动阻力矩也越大。为了不使此阻力矩对主推进电机造成潜在损害,应该使船舶航速降到一定程度后再实施停车操作。由仿真曲线可以看出,仿真系统的动态响应结果与螺旋桨负载实际动态响应非常接近。6仿真装置运行情况总结本文设计了一套螺旋桨负载动态实验仿真装置。利用该装置来复现螺旋桨特性,为推进电机提供逼真的轴负载,进而对研究推进系统的工作性能具有重要的现实意义。装置自投入实验室运行以来,效果良好,达到了实验要求。通